UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE
CENTRO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA AGROALIMENTAR
UNIDADE ACADÊMICA DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA AMBIENTAL
Curso de Engenharia Ambiental
KAIO VINICIUS DE OLIVEIRA FERREIRA
CONSTRUÇÃO DA CURVA CHAVE DO RIO PIANCÓ-PIRANHAS USANDO MEDIDOR ACÚSTICO DE VAZÃO COM EFEITO DOPPLER E MEDIÇÃO
AUTOMÁTICA DE NÍVEL DE ÁGUA
Pombal - PB 2016
KAIO VINICIUS DE OLIVEIRA FERREIRA
CONSTRUÇÃO DA CURVA CHAVE DO RIO PIANCÓ-PIRANHAS USANDO MEDIDOR ACÚSTICO DE VAZÃO COM EFEITO DOPPLER E MEDIÇÃO
AUTOMÁTICA DE NÍVEL DE ÁGUA
Monografia apresentada ao Curso de Engenharia Ambiental da Universidade Federal de Campina Grande, Centro de Ciências e Tecnologia Agroalimentar, como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia Ambiental.
Orientador: Prof. Dr. MANOEL MOISÉS FERREIRA DE QUEIROZ.
Pombal - PB 2016
FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA CENTRAL DA UFCG
F383c Ferreira, Kaio Vinicius de Oliveira.
Construção da curva chave do Rio Piancó-Piranhas usando medidor acústico de vazão com efeito Doppler e medição automática de nível de água / Kaio Vinicius de Oliveira Ferreira. – Pombal, 2016.
53f. : il. color.
Monografia (Graduação em Engenharia Ambiental) – Universidade Federal de Campina Grande, Centro de Ciências e Tecnologia Agroalimentar.
"Orientação: Prof. Dr. Manoel Moisés Ferreira de Queiroz".
1. Recursos Hídricos. 2. Recursos Hídricos - Curva Chave. 3. Gestão de Recursos Hídricos. I. Queiroz, Manoel Moisés Ferreira de. II. Título.
CDU 556.18(043)
KAIO VINICIUS DE OLIVEIRA FERREIRA
CONSTRUÇÃO DA CURVA CHAVE DO RIO PIANCÓ-PIRANHAS USANDO MEDIDOR ACÚSTICO DE VAZÃO COM EFEITO DOPPLER E MEDIÇÃO
AUTOMÁTICA DE NÍVEL DE ÁGUA
Monografia apresentada ao Curso de Engenharia Ambiental da Universidade Federal de Campina Grande, Centro de Ciências e Tecnologia Agroalimentar, como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia Ambiental.
BANCA EXAMINADORA
Orientador - Prof. Dr. Manoel Moises Ferreira de Queiroz (Universidade Federal de Campina Grande – CCTA - UACTA)
Examinador interno – Prof.a
Dr.a Aline Costa Ferreira (CCTA/UFCG - Examinadora Interno)
Examinador externo – Prof. Edilson Leite da Silva (CFP/UFCG – Examinador externo)
Pombal – PB 2016
Dedico a Deus, razão da minha existência e aos meus pais, Milma de Oliveira Ferreira e José de Araujo Ferreira, pelo amor, confiança, apoio e paciência nessa etapa de minha vida.
AGRADECIMENTOS
Ao SENHOR JESUS CRISTO, que me orientou nessa longa jornada, sendo a minha base de sustentação, a minha calmaria em momentos de aflições, o meu porto seguro.
À Universidade Federal de Campina Grande - UFCG, Centro de Ciências e Tecnologia Agroalimentar - CCTA, por essa oportunidade.
Ao Professor Dr. Manoel Moises Ferreira de Queiroz, exemplo de superação, pela sua orientação.
A meu pai José de Araujo Ferreira, a minha mãe Milma de Oliveira Ferreira e toda a minha família, pelo apoio em toda essa longa jornada, pelos ensinamentos passados quando eu era criança, que me serviu de norte pra seguir nos caminhos certos.
Aos amigos Myrla Freitas, Jairo Nery, José Adalberto, Eugênio Honfi, Maria Juliana, Fellipe Dalyson, Sayonara Costa, Valcemir Ribeiro, Uigno Jeferson, pelo apoio durante essa árdua jornada, pela rica troca de experiência, pelo carinho e dedicação todas as vezes que precisei.
À minha namorada Jeruza Rocha pela inestimável paciência, compreensão, pela ajuda e companheirismo nesta jornada.
A todos os professores da Unidade Acadêmica de Ciências e Tecnologia Ambiental, em especial a Aline Costa Ferreira, Érica Cristine Medeiros Nobre Machado, José Cleidimário Araújo Leite e Virgínia de Fátima Bezerra Nogueira.
Aos meus colegas de classe, pela rica troca de experiências. Aos bibliotecários, pela ajuda incondicional.
Aos técnicos e funcionários do Centro de Ciências e Tecnologia Agroalimentar, em especial a Gerusia Trigueiro Bezerra e Everton.
Por fim, a todos que, de forma direta ou indireta contribuíram para a realização deste trabalho.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Distribuição do recurso hídrico no Brasil. ... 15
Figura 2: Características geométricas de uma seção transversal. ... 16
Figura 3: Colisão do pulso sonoro com as partículas. ... 20
Figura 4: Esquema básico de um perfilador de 4 feixes. ... 22
Figura 5: Deslocamento da embarcação ... 23
Figura 6: Localização do Rio Piancó-Piranhas. ... 26
Figura 7: A DCP S5 e Prancha SonTek Hydroboard com PCM, GPS e ADP. ... 27
Figura 8: Medição de descarga líquida com o uso do ADCP do Rio Piranhas. ... 28
Figura 9: Pontos obtidos junto a ANA e curva-chave calculada. ... 33
Figura 10: Relação entre a vazão calculada e a vazão observada. ... 34
Figura 11: Pontos obtidos pela medição junto ao ADCP e curva-chave calculada... ... 35
Figura 12: Gráfico de comparação entre a vazão calculada e a vazão observada. . 36
Figura13: Ajuste da curva-chave com dados do ADCP. ... 38
Figura 14: Ajuste da curva-chave a partir da vazão calculada. ... 40
Figura 15: Comparação entre as curvas-chaves usando a ferramenta Solver. ... 42
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Valores de vazão calculada (m3/s) após a interação do Solver. ... 32 Tabela 2: Valores de vazão calculada após a interação do Solver, para os dados de vazão e cota.. ... 35 Tabela 3: Valores obtidos a partir da regressão linear, tomando por base os valores de vazão e cota.. ... 37 Tabela 4: Valores de vazões e níveis obtidos por meio da curva-chave. ... 38 Tabela 5: Valores ajustados através da regressão linear pelo emprego da curva-chave com os dados da ANA. ... 39 Tabela 6: Valores de cota, vazão observada, diferença de cota e vazão calculada a partir da curva-chave ajustada. ... 40 Tabela 7: Parâmetros a, h0 e b ajustados a partir da interação do Solver. ... 41 Tabela 8: Parâmetros a, h0 e b ajustado usando a regressão linear. ... 43
LISTA DE SIGLAS
ADCP - Acoustic Doppler Current Profiler
AESA - Agência Executiva de Gestão das Águas
ANA - Agência Nacional de Águas
AVM - Acoustic Velocity Meter
BHPPA - Bacia Hidrográfica Piancó-Piranhas-Açu
ix SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ... 12 2. OBJETIVOS ... 13 2.1 Geral... 13 2.2 Objetivos Específicos... 13 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... 14 3.1 Recursos Hídricos ... 14 3.2 Hidrometria ... 15 3.3 ADCP ... 16
3.3.1 A Tecnologia Adcp (Acoustic Doppler Current Profiler) ... 16
3.3.2 Princípio de funcionamento Doppler ... 19
3.3.3 Como o Adcp mede vazão ... 22
3.3.4 Vantagens e desvantagens da utilização do ADCP ... 23
3.4 Curva – chave ... 24
4. MATERIAL E MÉTODOS ... 26
4.1 Área de estudo ... 26
4.2 Levantamento dos dados ... 27
4.3 Aquisição de dados junto a ANA... 28
4.4 Extrapolação da Curva - chave ... 29
4.6 Ajuste da Curva - chave por regressão linear ... 30
4.7 Ajuste da Curva - chave usando Ferramentas Interativas ... 31
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 32
5.2 Ajuste da Curva-chave por interação através da ferramenta solver ... 32
5.2 Verificação do ajuste da Curva-chave por Regressão Linear ... 37
6. CONCLUSÕES ... 44
REFERÊNCIAS ... 45
x FERREIRA, K. V. O. Construção da Curva Chave do rio Piancó-Piranhas usando o Medidor Acústico de vazão com efeito Doppler e medição automática de nível de água. 2016 54 fls. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Ambiental) – Universidade Federal de Campina Grande, Pombal-PB.
RESUMO
A Curva-chave representa uma grande ferramenta no manejo dos recursos hídricos, pois, a mesma corrobora para a gestão do uso racional da água. Este trabalho teve-se por objetivo construir as curvas-chave de vazão por meio de medições diretas e dados registrados pela Agência Nacional de Águas (ANA) em um posto fluviométrico na bacia hidrográfica Piancó-Piranhas-Açu (BHPPA). No desenvolvimento do estudo foram realizadas as seguintes etapas: coletas de dados de cota e vazão junto a ANA no banco de dados da hidroweb, bem como os mesmos parâmetros coletados junto ao Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP), com isso construiu as curvas-chave usando os dados coletados. A partir dos resultados, observou-se que as metodologias usadas para proceder ao ajuste mostraram-se satisfatórias, sendo o coeficiente de determinação (R2) entre as curvas de 0,997. A pesquisa mostrou-se de grande relevância, uma vez que foi possível avaliar o comportamento da vazão em vários níveis de cota. Permitindo o melhor dimensionamento de reservatórios na região e para melhor quantificação e alocação de água dado os múltiplos usos da água. Acarretando assim, no melhor gerenciamento de sistemas hídricos.
xi FERREIRA, V. K. O. Construction of the river key Curve Piancó-Piranhas using the flow meter with Acoustic Doppler effect and automatic measurement of water level. 2016 54 fls. Completion of Course Work (Graduation in Environmental Engineering) - Federal University of Campina Grande, Pombal-PB.
ABSTRACT
The Curve key is a great tool in the management of water resources, for the same supports for the management of rational use of water. This work had by objective to build the flow rating curves through direct measurements and data recorded by the National Water Agency (ANA) in a gaging station in the basin Piancó-Piranhas-Açu (BHPPA). In developing the study the following steps were taken: quota data collection and flow with the ANA in the HIDROWEB database and the same parameters collected from the Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP), it built the key curves using the data collected. From the results, it was observed that the methodologies used to carry out the adjustment proved satisfactory, with the coefficient for determining (R2) from the curves of 0.997. Research has shown to be of great importance, since it was possible to evaluate the flow behavior in various quota levels. Allowing the best scaling reservoirs in the region and better quantification and allocation of water given the multiple uses of water. Thus resulting in better management of water systems.
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1. INTRODUÇÃO
O desenvolvimento das regiões acarreta consigo o intenso uso dos recursos hídricos, aumentando os riscos de degradação oriundos das intensas e inconsequentes atividades antrópicas. Segundo MENDES (2013), devido à escassez da água em quantidade e qualidade, muitas regiões do Brasil e do mundo, não apenas as caracterizadas como semiáridas e áridas, enfrentam problemas para atingir a sustentabilidade hídrica.
O uso deste recurso é indispensável à sobrevivência humana. Mas, com o passar do tempo, esse bem se tornou alvo de intensas preocupações e estudos quanto ao manejo desses sistemas, acarretando o surgimento de leis mais severas e punitórias. Para que isso ocorra de forma eficaz, faz se necessário o conhecimento das variações da quantidade de água numa bacia hidrográfica, principalmente em regiões áridas e semiáridas. Com esse conhecimento, é possível estimar a capacidade de produção de água da bacia, realizar previsão de cheias, abastecimento público e industrial, navegação, irrigação, entre outras formas de uso da água.
Segundo CLARK (2002), conhecer as afluências de um corpo hídrico é necessário para futuras previsões, além de estimar a frequência de ocorrência de eventos que possam dificultar o gerenciamento deste recurso. Portanto, os dados de vazão de um rio precisam ser monitorados da melhor forma possível.
Até o início da década de 1980, às medições de descarga liquida eram realizadas de forma rudimentar e muito dispendiosa de tempo. No entanto, com as novas tecnologias, iniciou-se em 1984, ainda de forma incipiente, a prática da medição de vazão em canais, rios e estuários utilizando o efeito Doppler, os pesquisadores buscavam uma maneira mais rápida nas medições nos canais de corrente bidirecional, em que o método com molinete não era eficaz de cumprir as exigências pelo tempo demandado.
Para a quantificação e monitoramento tanto da quantidade e qualidade da água, bem como da carga de aporte de sedimento nesses rios, torna-se necessário à determinação da curva-chave, sendo indispensável para o funcionamento da mesma e qualidade dos dados.
13
2. OBJETIVOS
2.1 Geral
Construir as curvas-chaves de vazão por meio de medições diretas e dados registrados pela Agência Nacional de Águas (ANA) em um posto fluviométrico na Bacia Hidrográfica Piancó-Piranhas-Açu (BHPPA).
2.2 Objetivos Específicos
Proceder ao ajuste da função matemática que representa a Curva-Chave com os dados de vazão e nível de água, medidos em seção fluviométrica usando ADCP;
Prosseguir ao ajuste da Curva-Chave com os dados de cota e vazão obtidos no banco de dados hidrológicos da ANA (HIDROWEB);
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3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 Recursos Hídricos
Os recursos hídricos são dotados de valor econômico e indispensáveis à sobrevivência humana, são abundantes na natureza, com isso, concluiu-se que a falta de água potável era impossível de ocorrer. Então, à sociedade moderna ignorou a apreensão e o cuidado com a preservação desse recurso, fato esse, que acarretou em inúmeras situações que resultaram em contaminações do meio ambiente.
Os recursos hídricos são renováveis, mas as quantidades disponíveis a qualquer tempo ou lugar refletirão em sua disponibilidade limítrofe de seu ciclo natural. Quando gerenciados dentro desses limites, eles estabelecem uma base sustentável para o desenvolvimento. Ir além desses balizadores, ou utilizar mal o recurso por meio de padrões não sustentáveis de crescimento, pode enfraquecer o desenvolvimento, comprometer a saúde de ecossistemas e empobrecer comunidades vulneráveis (WWDR, 2015).
Segundo a ONU, aproximadamente 20% da população mundial não tem acesso à água potável e cerca de 40% não dispõe de água suficiente para uma estrutura adequada de saneamento básico e higiene. A disponibilidade hídrica superficial no país é de 91.300 m³/s e a vazão média equivalente a 180.000 m³/s. Em 20 anos, a quantidade média de água disponível para cada indivíduo será reduzida a um terço da atual.
Em 2050, a depender das taxas de crescimento populacional e das iniciativas políticas tomadas, para minorar a crise, pois a escassez de água afetará quase 3 bilhões de pessoas. Nos países em desenvolvimento, a demanda por água deverá crescer significativamente, em virtude do aumento populacional aliado às expansões industrial e agrícola. Os países desenvolvidos, entretanto, continuarão a apresentar maiores índices de consumo per capita (HENRIQUE, 2012).
O Brasil é o país mais rico em água doce, com 12% das reservas mundiais. Do potencial de água existente na superfície do planeta, concentra-se 18%, escoando pelos rios aproximadamente 257.790 m3/s. Apesar de apresentar uma situação aparentemente favorável, observa-se na imagem abaixo que no Brasil
15 existe uma enorme desigualdade regional na distribuição dos recursos hídricos (CARVALHO et al., 2007).
Figura 1: Distribuição do recurso hídrico no Brasil.
Fonte: Adaptado de CARVALHO et al., (2007)
O Nordeste é a região brasileira mais afetada pela escassez de água. A situação se agrava ainda mais, quando se trata dos mais de 8 milhões de habitantes do semiárido. Segundo LAMARCA et al. (2013), a causa da escassez de água no Nordeste reside, primeiramente, na baixa pluviosidade e irregularidade das chuvas da região, além de uma estrutura geológica que não permite acumular de maneira satisfatória água no subsolo, o que, de certa forma, interfere inclusive no volume de água existente na bacia hidrográfica da região.
As decisões que determinam as formas como os recursos hídricos são utilizados, ou mal utilizados, não são tomadas apenas pelos gestores responsáveis. Assim, o progresso em direção ao desenvolvimento sustentável requer o comprometimento de uma gama mais ampla de atores políticos no governo, na sociedade civil e no setor privado para considerar a água em suas respostas e em seus processos de tomada de decisão (WWDR, 2015).
3.2 Hidrometria
A hidrometria é a parte da hidrologia ligada à medida das variáveis hidrológicas, e tem como objetivo obter dados básicos, tais como precipitações,
Nordeste - 3,3% (27% pop.) Amazônia - 80% (7% pop.) Outros regiões 16,7% (66% pop.)
16 níveis de água, vazões, entre outros, e a sua variação no tempo espaço (SANTOS et al., 2001). Dentro da hidrometria pode-se citar a fluviometria que abrange as medições de vazões e cotas de rios.
A fluviometria, que faz parte da hidrometria, trata das medições de vazões dos rios (SANTOS et. al., 2001). Uma estação fluviométrica se localiza em uma seção do rio, composta basicamente por réguas limnimétricas e/ou limnígrafos para medição dos níveis de água. As características geométricas da seção transversal definida pela estação variam com o nível d’água na mesma (Figura 2). Essas características são a seguir:
Área molhada: área da seção transversal ocupada pela água;
Perímetro molhado: comprimento da linha de contato entre a superfície molhada e o leito;
Raio hidráulico: quociente da área molhada pelo perímetro molhado;
Largura superficial: comprimento da linha horizontal da área molhada;
Profundidade média: quociente da área molhada pela largura superficial.
Figura 2: Características geométricas de uma seção transversal.
Sendo: h = profundidade; hm = profundidade média; abca = área molhada;
Fonte: SANTOS et al., (2001).
3.3 ADCP
3.3.1 A Tecnologia Adcp (Acoustic Doppler Current Profiler)
A tecnologia Doppler, utilizada para medir vazões em rios originou-se da oceanografia, nas áreas de baias onde às dificuldades eram para calibração dos
17 medidores acústicos - AVM (Acoustic Velocity Meter) não existia um medidor rápido o suficiente para realizar a medição antes que a corrente invertesse a direção (Brasil. ANA, 2009, p. 63). A partir deste instante a sigla ADCP fará referência à Tecnologia Doppler de medição de vazão, podendo ser aplicado tanto para o equipamento da RDI (ADCP), como para o equipamento da Sontek (ADP), únicos fabricantes desses equipamentos.
O ADCP é um equipamento composto por uma sonda, com quatro transdutores (existem equipamentos com três transdutores), os modelos antigos possuem ainda um "deck box" (conjunto de hardware) que devido ao tamanho dos integrados e circuitos da época não cabiam somente no corpo do equipamento.
O equipamento emite ondas sonoras fazendo vibrar seus pequenos elementos cerâmicos ao passar por eles uma corrente elétrica. Esta onda viaja através da água em freqüências pré-estabelecida (para uso em rios, 300, 600 1.200 ou 2400 kHz, para os equipamentos da RDI; e, 500, 1.000, 1.500, 3.000 e 5.000 kHz, para os equipamentos da Sontek) (RDI, 1989).
Partículas carregadas pela corrente de água, a diferentes profundidades, refletem o som de volta para o aparelho que "escuta" o eco através dos mesmos sensores chamados mono estáticos. Os equipamentos que emitem frequências menores (por exemplo: 1200 kHz) são utilizados para medições em rios menos profundos. O retorno do som refletido pelas partículas, a diferentes profundidades, faz com que os sensores do ADCP reconheçam também diferentes profundidades. Dessa forma, o equipamento constrói um perfil vertical da coluna d’água (RDI, 1989).
Segundo o RDI (1989), o processamento do sinal refletido pode ser feito de três maneiras:
1 - Pulso Incoerente ou Narrowband: no qual o sistema envia um pulso sonoro relativamente longo, pra então receber o reflexo deste som nas partículas carreadas na água e mede a diferença de frequência entre o sinal emitido e o recebido, esta mudança de frequência, efeito Doppler, é usado para calcular a velocidade da água. 2 - Processamento coerente pulso a pulso: É o mais preciso de todos e também o que possui maiores limitações, estes trabalham emitindo um pulso relativamente curto na água gravando o retorno do sinal para então transmitir o segundo pulso
18 quando não há mais vestígios do primeiro pulso no perfil. O sistema mede a diferença de fase entre os dois reflexos dos pulsos e usa isso para calcular o efeito Doppler.
3 - Dispersão do Espectro ou Processamento Broadband: Como os sistemas coerentes os sistemas broadband medem a diferença de fase dos retornos de sucessivos pulsos, com a diferença que aqui estarão mais de um pulso na água ao mesmo tempo, isto traz consigo um ruído maior no sinal e, por conseguinte um desvio padrão maior nas medidas de velocidade da água, em outras palavras, menor precisão.
Os sistemas da RDI utilizam os dois últimos e são definidos por comandos divididos em modos ou módulos de operação, determinados via programa de computador. A Sontek utiliza o processamento incoerente, e não necessita de mudar os modos para diferentes ambientes. Cada enfoque tem suas vantagens e desvantagens que devem ser bem analisadas por quem entende seus funcionamentos na hora de adquirir um equipamento (ANA, 2014).
À medida que o ADCP processa o sinal refletido, pelas partículas em suspensão na água, divide a coluna líquida em um número discreto de segmentos na vertical. Estes segmentos são denominados células de profundidade ou bins. O equipamento determina a velocidade e a direção de cada célula, cuja profundidade é escolhida pelo operador, e, cuja largura é função da velocidade do barco e da
velocidade no processamento dos pulsos. Um perfil gasta apenas
centésimos/milésimos de segundo, para ser computado pelo equipamento (ANA, 2014).
O ADCP mede a velocidade e a direção do fluxo d’água relativo a ele mesmo. Portanto, velocidade aparente, ou seja, velocidade da água mais a velocidade do barco. Entretanto, o ADCP também mede a velocidade do barco em relação ao fundo, através da função conhecida como Bottom Tracking (RDI, 1989). Algumas informações adicionais, igualmente relacionadas à medição da velocidade da água, são gravadas pelo ADCP, como temperatura, posicionamento, oscilações do barco, informações quanto à qualidade das medições de velocidade, intensidade da energia acústica, dados horários da medição, etc.
19 Através de um sensor de temperatura na extremidade dos transdutores possibilita ao equipamento a obtenção do valor da temperatura da água. Esse dado é importante, pois o cálculo da velocidade da água, e também, da profundidade são obtidos a partir da velocidade do som na água. Onde, a velocidade do som na água é resultante do coeficiente da temperatura e da salinidade. A temperatura, por sua vez, é medida diretamente; já a salinidade é um parâmetro fornecido indiretamente ao equipamento, ou seja, via teclado.
Para fornecer a velocidade "orientada" segundo as coordenadas terrestres, Norte/Sul e Leste/Oeste, o ADCP tem uma bússola interna, que afere sua orientação relativa ao campo magnético da Terra. Com isso, o equipamento pode determinar a direção do fluxo d’água e o seu movimento em relação ao fundo, e, desta forma, consequentemente, informar a direção do fluxo d’água. Para medir os movimentos de oscilação do barco (laterais e de popa-proa) o ADCP é dotado de sensores internos, que lhe permitem realizar correções necessárias para compensar tais movimentos. A amplitude da correlação, também é fornecida pelo equipamento, como um valor da qualidade da medição, quando da análise dos dados (RDI, 1989).
A intensidade da energia acústica refletida pelas partículas em suspensão na água também é gravada pelo ADCP. Essa informação é útil para uma avaliação qualitativa do material em suspensão na água (GUIMARÃES et. al., 1997).
3.3.2 Princípio de funcionamento Doppler
Os Perfiladores Acústicos Doppler de Correntes (ADCPs) são sonares ativos, normalmente mono-estáticos (transmissor e receptor no mesmo ponto), que utilizam a energia acústica em um feixe estreito, e o efeito doppler, para determinar a velocidade das correntes marinhas em diversas camadas (CARVALHO, 1999).
A mudança de frequência de uma fonte de som (ou luz) para um observador é proporcional à velocidade na qual a distância entre a fonte e o observador, por conseguinte aumenta ou diminui (GAMARO, 2012).
A mudança de frequência da onda sonora transmitida pelo transdutor e refletida de volta pelas partículas carregadas na água é proporcional à velocidade que a distância entre o transdutor e as partículas, também aumenta ou diminui. (GAMARO, 2012).
20 (EQ.1) Em que:
= Diferença de frequência (Hz)
= Frequência transmitida de uma fonte (Hz)
V = Velocidade relativa entre a fonte e o objeto (m/s) C = Velocidade do som (m/s)
Segundo Gamaro (2012) como há um efeito Doppler entre transdutor/partícula e outro da partícula/transdutor, a fórmula se define em:
(EQ. 2)
Figura 3: Colisão do pulso sonoro com as partículas.
Fonte: Simpson, 2001.
Apenas parte do eco refletido é lido pelo instrumento. Como o Doppler mede a velocidade radial, somente um componente da velocidade da água é utilizado.
21 (EQ.3)
A mudança de frequência de uma fonte de som (ou luz) para um observador é proporcional à velocidade na qual a distância entre a fonte e o observador vai aumentando (GAMARO, 2012).
Os Perfiladores Acústicos Doppler de Correntes (ADCPs) são sonares ativos, normalmente mono-estáticos (transmissor e receptor no mesmo ponto), que utilizam a energia acústica em um feixe estreito, e o efeito doppler, para determinar a velocidade das correntes marinhas em diversas camadas (CARVALHO, 1999).
O sinal transmitido pelo sonar atinge partículas em suspensão no meio líquido acontecendo um retroespalhamento, onde a frequência do sinal original é modificada devido ao efeito doppler de valor proporcional a componente de velocidade da corrente ao longo da direção transmissor - objeto espalhador (CARVALHO, 1999).
O retroespalhamento acústico é causado pelas partículas que são imersas no meio líquido, elas possuem em média a mesma velocidade da massa d’água em movimento.
Os ADCPs são compostos basicamente de transdutores, circuitos eletrônicos de transmissão e recepção do sinal acústico, que geram, transmitem, recebem e processam o sinal extraindo a informação desejada. São alojados em um invólucro de material resistente, normalmente de forma cilíndrica. Podem comportar baterias se funcionando de forma autônoma. Os dados, após adquiridos, podem ser apresentados em tempo real (com ligação via cabo) ou não, sendo convenientemente armazenados em memória sob a forma de arquivos para posterior extração e apresentação. O ADCP funciona com três ou quatro feixes, com separação angular de 120° ou 90°, respectivamente, entre eles. Cada feixe produz um perfil de velocidade de corrente. Com três feixes, pelo menos, pode-se determinar o vetor velocidade da corrente em três dimensões. Cada célula de profundidade, regularmente espaçada, pode ser comparada a um medidor de corrente pontual, como pode ser visto na figura 04 (CARVALHO, 1999).
22
Figura 4: Esquema básico de um perfilador de 4 feixes.
Fonte: CARVALHO, (1999)
3.3.3 Como o Adcp mede vazão
Com o uso do molinete calculamos vazão, medindo a velocidade em um plano imaginário perpendicular a corrente, medindo em um número de verticais representativas à seção (normalmente entre 20 e 25 verticais). Computamos as áreas de representatividade destas verticais e a seguir a vazão de cada uma delas. Com o somatório destas vazões obtemos a vazão total que passa pela seção em um período de tempo (GAMARO, 2012).
Com a tecnologia Doppler, passamos a ter mais medidas de velocidades na área de cada célula, e a velocidade que é mostrada na tela do computador será a média de velocidades para cada uma destas células, que terá como área o produto do tamanho do bin estipulado pelo operador, pela distância percorrida no tempo que leva para processar um ensemble. Isto quer dizer que as “larguras” das células são função da velocidade do barco e da velocidade de processamento do equipamento (sistema), aproximadamente 0,5 segundos. Logo, a medição com o ADCP pouco difere da medição com molinete, todavia é mais precisa e detalhada. Sua medição é feita em movimento, ao contrário do que ocorre nas paradas em cada vertical, por conseguinte muito mais verticais (GAMARO, 2012).
23 Conforme vai emitindo pulsos acústicos e medindo as velocidades, o aparelho também está realizando uma batimetria ao ir lendo o fundo. Com isto, computa as velocidades médias de cada vertical (ensemble), sua área correspondente e, logo, a vazão do segmento, que é imediatamente computada ao somatório (GAMARO, 2012).
Uma das inúmeras vantagens, como pode ser observada na Figura 05, é que seu trajeto não precisa ser perpendicular à seção (GAMARO, 2012).
Figura 5: Deslocamento da embarcação.
Fonte: USGS (2003).
3.3.4 Vantagens e desvantagens da utilização do ADCP
Embora não seja tão difundido ainda, devido ao seu custo, o método de medição de vazão utilizando o ADCP é o mais rápido e preciso. Segundo FILHO et al. (1999), o uso do ADCP se justifica em situações que dificultam a realização com os métodos tradicionais, como: grandes rios, períodos de cheia, seções descontínuas, etc.
As vantagens do uso do ADCP são: maior quantidade e qualidade de dados; maior precisão (erro da ordem de 5%); medição em tempo real; alta taxa de reprodutibilidade; mais rápido quando comparado aos métodos convencionais; pode ser usado em grandes e pequenos rios; exige menos mão-de-obra; não necessita alinhamento; corrige desvios de rota em seções descontinuas, é possível estimar o
24 movimento do sedimento de fundo; e boa correlação com métodos antigos (FILHO et al., 1999)
As limitações quanto ao uso do ADCP em grandes, médios e pequenos cursos d’água dependem da frequência do aparelho e da quantidade de células de profundidade que ele pode discriminar. Quanto menor for a profundidade do curso d’água, maior deve ser a frequência do instrumento. Além destas, as outras limitações são: custo exorbitante; equipamento sensível; embarcação deve ser de material que não cause interferência magnética; e dificuldades na manutenção (FILHO et al., 1999).
3.4 Curva – chave
Em uma seção transversal de um curso d'água, a relação existente entre a descarga e a cota (altura da lâmina d'água) sob a qual esta descarga escoa, é uma função multo complexa que envolve características geométricas e hidráulicas da seção considerada e do canal em que a mesma está situada (JACCON e CUDO, 1989).
A curva-chave pode ser obtida por meio da relação exponencial:
- (EQ.4)
Onde: Q é a vazão (m³/s); H é a altura da lâmina de água correspondente à vazão (m); h0 é a diferença de altura entre o zero da régua e o nível de vazão nula
(m); e a e b são coeficientes característicos da estação. Praticamente, os coeficientes a e b são calculados mediante regressão linear entre os valores logarítmicos lnQ e ln(H+h0). O coeficiente a será aquele que fornecer a melhor
regressão linear representado através do coeficiente de determinação R² que indica a porcentagem da variância explicada pelo ajuste da curva (JACCON e CUDO, 1989).
Para que uma curva chave seja confiável será necessária a realização de múltiplas campanhas de medições em épocas de estiagem, de águas médias e de cheias. Também é importante, que o acompanhamento das medições de vazão seja permanente, ao longo dos anos, já que modificações da seção transversal
25 ocasionam a não permanência da curva-chave em muitas seções (SANTOS et al. 2001 e BARNEZ, 2004).
26
4. MATERIAL E MÉTODOS
4.1 Área de estudo
A área de estudo está baseada em três sub-bacias hidrográficas pequenas, drenadas por um corpo d’água principal, o Rio Piranhas - Açu. Sendo a bacia hidrográfica do Rio Piancó até a Barragem Mãe D’Água, bacia hidrográfica do Rio Alto Piranhas e bacia hidrográfica do Rio do Peixe. O ponto de drenagem desde as cabeceiras até a confluência das três sub-bacias e conhecida por Sitio Vassouras (37410000), Latitude -06:43:43 S, Longitude -37:47:40 W situado na BR-230, a 5 km do município de Pombal – PB, (figura 06). Esse ponto de referência drena uma área de 15.315 km2.
Próximo à mesma encontra-se uma estação fluviométrica da Agência Nacional de Água – ANA, sendo operada pela Agência Executiva de Gestão das Águas - AESA do estado da Paraíba, executando medições diárias de vazões e níveis, dados que serão utilizados para o referido trabalho.
Figura 6: Localização do Rio Piancó-Piranhas.
A BHPPA (bacia hidrográfica Piancó Piranhas Açu) está totalmente inserida no clima semiárido nordestino, com extensão territorial total de drenagem de 43.681,50 Km2, estando 26.183,00 Km2, correspondendo a 60% da área no Estado
27 da Paraíba. Sendo a extensão territorial do rio Piancó - Piranhas aproximadamente 207,296 Km (LIMA, 2004).
A região hidrográfica estudada apresenta clima BSw’h’ de acordo com a classificação de Koppen, quente e semiárido, com predominância de solos cristalinos e arenosos, e vegetação do tipo caatinga. Com precipitação media anual em torno de 880 mm, sendo fevereiro, marco e abril os meses mais chuvosos responsáveis por 60 a 80 % da precipitação total anual. A temperatura media e de 23,4°C, com máxima em Dezembro de 35,7°C, e mínimas entre Julho e Agosto de 19,3°C. Anualmente, a umidade relativa do ar oscila entre 51% em Outubro e 74% em Abril. Já a evapotranspiração anual varia de 2.200 mm a 3.400 mm. Portanto, apresenta altos índices de déficit hídrico anualmente (LIMA, 2004).
4.2 Levantamento dos dados
Segundo GARRIDO (2013) foram realizados 15 campanhas de medições no período de novembro/2012 a maio/2013, leituras do nível de água nas réguas linimétricas, medições de vazão, e durante o período chuvoso, seguindo as ocorrências de chuvas que provocasse a alteração da vazão do rio.
Para a realizações de todas as campanhas foram utilizados os instrumentos e equipamentos do Laboratório de Hidrologia do CCTA da Universidade Federal de Campina Grande (UFCG), campus Pombal – PB.
Os dados de vazão foram coletados junto ao Perfilador Acústico Corrent Doppler - ADCP, modelo RiverSurveour S5 da Sontek (figura 07).
Figura 7: A DCP S5 e Prancha SonTek Hydroboard com PCM, GPS e ADP.
28 Foi colocado um cabo graduado na secção para prender a embarcação, onde o aparelho (ADCP) foi fixado na lateral desta e conectado a um notebook onde foi instalado o software - RiverSurveyor Live fornecido pelo fabricante conforme verifica-se na figura 08 abaixo. (GARRIDO, 2013).
Figura 8: Medição de descarga líquida com o uso do ADCP do Rio Piranhas.
Fonte: Garrido, (2013).
Portanto, durante cada campanha, foram realizadas no mínimo duas travessias na seção do rio, portanto eram registrados simultaneamente: perfil de fundo ou batimetria, perfis e direções de velocidades, trajetória descrita pelo barco e outros parâmetros. O próprio software encarregava-se de registrar e processar as informações colhidas e calcular a vazão total na seção.
4.3 Aquisição de dados junto a ANA
Além dos dados medidos pelo ADCP, também foram obtidos junto à Agência Nacional das Águas – ANA no banco de dados da Hidroweb, os parâmetros vazão e nível de água, referentes ao período das campanhas realizadas por Garrido (2013). Segundo a ANA, a estação do Sítios Vassouras (cód 37410000) está situada no mesmo local das medições do ADCP, conforme verifica-se sua ficha descritiva no Anexo A3.
29
4.4 Extrapolação da Curva - chave
Segundo PORTO et al. (2001) no regime fluvial, a vazão se relaciona com as demais variáveis segundo a expressão abaixo:
(EQ.5)
onde:
Q: vazão;
K: coeficiente de atrito;
A: área molhada da seção;
Rh: raio hidráulico;
j: declividade do curso d’água;
Pode-se aproximar a relação vazão x cota por uma expressão exponencial conforme verifica-se na equação (6):
- (EQ.6)
onde:
a, b e h0 são parâmetros de ajuste; H é o nível do rio;
Q é a vazão;
Como as cotas são tomadas com relação a um referencial arbitrário (fixado e materializado na superfície), h0 constitui um parâmetro desconhecido, que poderia
ser entendido como sendo a leitura do NA na régua para o qual a vazão é nula. Assim, h0 pode assumir valores positivos ou negativos, dependendo da posição do
zero da escala com relação ao fundo do rio. É o valor para o qual a vazão calculada pela expressão seria nula (PORTO et al., 2001).
Para determinar os parâmetros de ajuste a partir dos pares (QxH), a expressão geral é linearizada, determinando-se a e b por regressão linear e h0 por
30
4.6 Ajuste da Curva - chave por regressão linear
Foi utilizada a Regressão Linear para o ajuste das curvas chaves no referido trabalho. Consiste na realização de análise estatística com o objetivo de verificar uma relação entre uma variável dependente com uma ou mais variáveis independentes.
Segundo SEFIONE (2002) supondo-se a estação Y, aquela onde se tem registro diário de cotas sem curva-chave e X uma estação, no mesmo rio, com registro de cotas e curva-chave traçada. A partir de dados simultâneos de leitura de réguas nas duas seções (cotagrama), determina-se uma equação linear do tipo: , onde X é leitura de régua na seção X e : H é a leitura de régua na seção Y. Os coeficientes a e b são facilmente determinados pelo método dos mínimos quadrados numa planilha eletrônica. Dessa forma se obtém uma relação para calcular qualquer cota em X a partir de uma cota em Y.
Aplicando logaritmo na equação (6), temos o seguinte;
- (EQ.7) - (EQ.8) - (EQ.9)
A equação acima é do tipo:
Onde: ; ; - .
Os parâmetros da a e b da equação da reta são calculados da seguinte forma:
-
- (EQ.10)
Sabendo que o valor de a é calculado usando o antilog na seguinte fórmula , com log na base 10 ou fazendo .
31 Segundo PETERNELLI (2010), o Coeficiente de determinação, também conhecido como R2, ou simplesmente r2 para o caso de regressão linear simples, fornece uma informação auxiliar ao resultado da análise de variância da regressão (apresentado a seguir), como a maneira de se verificar se o modelo proposto é adequado ou não para descrever o fenômeno.
O R2 é obtido por:
O valor de R2 varia no intervalo de 0 a 1. Valores próximos de 1 indicam que o modelo proposto é adequado para descrever o fenômeno.
4.7 Ajuste da Curva - chave usando Ferramentas Interativas
Foi utilizado também, um cálculo interativo para obter a expressão da curva-chave, observando o ajuste da curva de descarga utilizando os dois métodos, atribuindo um valor para H0 para realizar uma regressão linear e obter as constantes
a e b da expressão logarítmica. Para tanto, pode-se utilizar ferramentas interativas
de planilhas eletrônicas, como o Optimizer do QuattroPro (Corel) ou Solver do Excel (Microsoft). (PORTO et al., 2001).
Empregou-se o Solver, ferramenta do Excel, para auxiliar no ajuste dos parâmetros a, b e h0. Neste trabalho obteremos os três parâmetros por interação,
dispensando regressão linear.
Para PORTO et al. (2001), ao escolher o Solver, será atribuída as seguintes condições que conduziram os cálculos:
Minimizar o valor da soma dos desvios (célula de destino);
Valores de a, b e h0 como células variáveis;
Impor limite superior para o valor de h0 (menor que o nível mínimo
32
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO
O traçado da Curva-chave não é fixado apenas na análise numérica, pois é importante fazer um balanço das principais características da estação. Cada boletim da estação é fundamental para entender o comportamento do curso d’água, pois nele há informações da natureza do leito e das margens, do seu regime de escoamento e conformação.
5.2 Ajuste da Curva-chave por interação através da ferramenta solver
A Tabela 1 contém os valores da interação com o uso Solver, ferramenta do
Excel, tomando por base os dados de vazão x cota observados pela Agência
Nacional da Água - ANA, os mesmos foram utilizados para construção dos gráficos apresentados abaixo.
Tabela 1: Valores de vazão calculada (m3/s) após a interação do Solver.
ANA
H (cm) Qobs (m3/s) H - h0 Qcal (m3/s) (Qcal - Qobs)2
110 1,56 0 0 2,43 150 3,94 40 3,86 0,01 150 3,94 40 3,86 0,01 152 4,17 42 4,26 0,01 157,5 6,56 47,5 5,47 1,19 170 8,63 60 8,81 0,03 177 10,84 67 11,03 0,04 180 11,86 70 12,07 0,04 180 11,86 70 12,07 0,04 182,5 12,76 72,5 12,96 0,04 212,5 26,28 102,5 26,25 0,00 212,5 26,28 102,5 26,25 0,00 218 29,33 108 29,21 0,02 TOTAL 3,85
A figura 09 traz a representação gráfica da curva-chave do Rio Piancó-Piranhas, com os respectivos dados de vazão calculada, bem como da vazão observada. As constantes foram obtidas a partir da minimização da soma dos desvios, diminuindo o erro entre a vazão calculada e a vazão observada.
33
Figura 9: Pontos obtidos junto a ANA e curva-chave calculada.
Fonte: Autoria própria.
A interação realizada através da ferramenta Solver ajustou os parâmetros, tendo como resultado:
; ; .
Expressão da Curva-chave:
-
(EQ.11)
Observa-se na figura 10, a relação entre a vazão calculada e a vazão observada, tomando por base os valores observados na tabela 1.
0 5 10 15 20 25 30 35 0 50 100 150 200 250 Q ( m 3/s) H (cm)
Curva-chave do rio Piancó-Piranhas
Função do Qcal Qobs
34
Figura 10: Relação entre a vazão calculada e a vazão observada.
Fonte: Autoria própria
Ao analisar os dados de vazão calculados com os dados reais, foi construído um gráfico para comparar a relação entre ambos. Com isso, observou-se uma excelente aproximação entre os valores, sendo o , , esse resultado corrobora com o encontrado por GRISON (2008) que trabalhando com metodologia semelhante na Bacia Hidrográfica do rio Cubatão do Norte encontrou esse mesmo valor que é considerado o ótimo resultado do ajuste, podendo está associado ao fato de que a vazão observada foi obtida a partir da curva-chave disponibilizada pela ANA, pois tal procedimento se fez necessário porque não haviam dados de vazão observados disponíveis, logo com a entrada dos valores de cota na curva-chave estabelecida pela agência das águas, foi possível obter os dados de vazão necessários para tal comparação.
O mesmo procedimento foi feito aos dados coletados pelo ADCP, como pode-se verificar na tabela 2, no qual os valores da vazão obpode-servados foram coletados em campo através do ADCP e as cotas foram consideradas com o auxílio das réguas limnimétricas na referida estação. Os dados serviram de base para os gráficos seguintes. y = 1,0185x - 0,373 R² = 0,9971 0 5 10 15 20 25 30 35 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 Q ca l (m 3/s) Qobs (m3/s) Qcal x Qobs Linear (Qcal x Qobs)
35
Tabela 2: Valores de vazão calculada após a interação do Solver, para os dados de vazão e cota.
ADCP
H (cm) Qobs (m3/s) H-ho Qcal (m3/s) (Qcal-Qobs)2
129 7,18 80,45 6,73 0,20 130 7,31 81,45 6,90 0,16 134,1 7,85 85,55 7,63 0,05 143,5 9,35 94,95 9,42 0,00 144 9,68 95,45 9,52 0,03 146 9,84 97,45 9,93 0,01 148,5 10,12 99,95 10,45 0,11 149,5 10,76 100,95 10,66 0,01 152 10,86 103,45 11,21 0,12 152,5 12,3 103,95 11,32 0,97 172 15,31 123,45 16,03 0,52 179 16,57 130,45 17,92 1,84 187 19,93 138,45 20,22 0,08 192 22,33 143,45 21,73 0,36 200 25,06 151,45 24,25 0,65 TOTAL 5,11
Pode-se observar na figura 11, o comportamento da Curva Chave com a utilização dos dados do ADCP para o calculo de vazão.
Figura 11: Pontos obtidos pela medição junto ao ADCP e curva-chave calculada.
Fonte: Autoria própria 0 5 10 15 20 25 30 0 50 100 150 200 250 Q o b s (m 3/s) H (cm) Qobs Função do Qcal
36 Para os dados observados junto ao ADCP, o Solver ajustou os parâmetros, de maneira que os valores abaixo foram obtidos.
; ; cm.
Após a interação do Solver, foram encontrados os valores dos parâmetros supracitados e consequentemente, obteve-se a curva-chave, expressa por:
– (EQ.12)
Para analisar a consistência no uso do Solver, também foi construído á nível de comparação, um gráfico relacionando a vazão calculada com a vazão observada com o uso do ADCP, conforme observa-se na figura 12.
GRISON (2008), em estudo semelhante afirma que essa diferença existente entre as partes altas e baixas pode ter acontecido devido a pouca quantidade de dados nas cotas altas. O que pode ter provocado a dispersão dos pontos é a mudança da seção de medição ou até de controle do canal. Ao contrário, pode-se ver que as medições do ADCP se concentram tendendo a um alinhamento. Essa tendência de alinhamento pode ter ocorrido talvez pelas medições terem sido realizadas no mesmo dia num único evento de vazão, ou por ter ocorrido pouca variação das cotas entre cada medição, o que concentrou os pontos.
Figura 12: Gráfico de comparação entre a vazão calculada e a vazão observada.
Fonte: Autoria própria
y = 0,9963x + 0,0121 R² = 0,9886 0 5 10 15 20 25 30 0 10 20 30 Q ca l (m 3/s) Qobs (m3/s) Qcal x Qobs
37 Podemos verificar no gráfico acima, uma boa relação, sendo R2 , , averbando ainda mais o bom funcionamento da metodologia usada.
5.2 Verificação do ajuste da Curva-chave por Regressão Linear
Na tabela 3, pode ser verificado os valores dos parâmetros a, b e h0, obtidos
com o ajuste da regressão linear, tomando por base os valores de vazão e cota observados em campo, sendo as vazões obtidas através do ADCP e as cotas com o auxílio das réguas limnimétricas que se encontram na estação em estudo (vide Anexo A2).
Tabela 3: Valores obtidos a partir da regressão linear, tomando por base os valores de vazão e cota.
log (H-h0) log (Qobs) (log (H-h0))
2 log (H-h0) · log (Qobs) 1,89 0,85 3,60 1,62 1,90 0,86 3,62 1,64 1,92 0,89 3,70 1,72 1,97 0,97 3,88 1,91 1,97 0,98 3,89 1,94 1,98 0,99 3,92 1,96 1,99 1,01 3,97 2,00 1,99 1,03 3,99 2,06 2,01 1,03 4,03 2,08 2,01 1,08 4,04 2,19 2,08 1,18 4,35 2,47 2,11 1,21 4,45 2,57 2,13 1,29 4,56 2,77 2,15 1,34 4,63 2,90 2,17 1,39 4,73 3,04 SOMA 30,32 16,17 61,41 32,92
Verificam-se na tabela 4, os valores de cota, vazão observada, diferença de cota e vazão calculada a partir da curva-chave ajustada:
38
Tabela 4: Valores de vazões e níveis obtidos por meio da curva-chave calculada.
H (cm) Qobs (m3/s) H-h0 Qcal (m3/s) 129 7,18 79 6,92 130 7,31 80 7,09 134,1 7,85 84,1 7,81 143,5 9,35 93,5 9,57 144 9,68 94 9,67 146 9,84 96 10,06 148,5 10,12 98,5 10,57 149,5 10,76 99,5 10,78 152 10,86 102 11,31 152,5 12,3 102,5 11,42 172 15,31 122 15,95 179 16,57 129 17,76 187 19,93 137 19,93 192 22,33 142 21,35 200 25,06 150 23,72
De acordo com a figura 13, podemos verificar a relação entre as vazões calculadas a partir do ajuste da curva-chave através da regressão linear e os valores de cota observados em campo:
Figura13: Ajuste da curva-chave com dados do ADCP.
Fonte: Autoria própria.
Através da regressão linear, obteve-se os seguintes valores para os parâmetros de entrada da equação da curva-chave:
0 5 10 15 20 25 0 50 100 150 200 250 Q ( m 3/s) H (cm) ADCP
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b = 1,92; a = 0,0015; h0 = 50 cm
A partir dos valores dos parâmetros supracitados foi construída a equação da curva-chave:
- (EQ.13)
Verifica-se na tabela 5, os valores ajustados através da regressão linear, tomando por base os valores de cota e vazão, onde a vazão foi obtida a partir do emprego da curva-chave estabelecida pela ANA, e ambos os parâmetros /estão disponíveis no banco de dados da referida agência (HidroWeb). GRISON (2008) trabalhando com essa mesma metodologia afirma que isso se deve ao fato de apesar de existirem poucas medições, mas os dados do ADCP estão muito próximos da curva, o que indica uma tendência adequada das medições.
Tabela 5: Valores ajustados através da regressão linear pelo emprego da curva-chave com os dados da ANA.
log (H-h0) log (Qobs) (log (H-h0))
2 log (H-h0) · log (Qobs) 1,30 0,19 1,69 0,25 1,77 0,59 3,16 1,05 1,77 0,59 3,16 1,06 1,79 0,62 3,21 1,11 1,82 0,81 3,34 1,49 1,90 0,93 3,62 1,78 1,93 1,03 3,76 2,01 1,95 1,07 3,82 2,09 1,95 1,07 3,81 2,10 1,96 1,10 3,86 2,17 2,08 1,41 4,36 2,96 2,09 1,41 4,36 2,964 2,11 1,46 4,44 3,09 Soma 24,47 12,35 46,62 24,15
Podemos verificar na tabela 6 os valores de cota, vazão observada, diferença de cota e vazão calculada a partir da curva-chave ajustada:
40
Tabela 6: Valores de cota, vazão observada, diferença de cota e vazão calculada a partir da curva-chave ajustada.
H (cm) Qobs (m3/s) H-h0 Qcal (m3/s) 110 1,56 20 0,91 150 3,94 60 5,91 150 3,94 60 5,91 152 4,17 62 6,25 157,5 6,56 67,5 7,22 170 8,63 80 9,64 177 10,84 87 11,12 180 11,86 90 11,78 180 11,86 90 11,78 182,5 12,76 92,5 12,34 212,5 26,28 122,5 19,90 212,5 26,28 122,5 19,90 218 29,33 128 21,44
Observa-se na figura 14 a seguir, a relação entre as vazões calculadas a partir da curva-chave ajustada através da regressão linear:
Figura 14: Ajuste da curva-chave a partir da vazão calculada.
Fonte: Autoria própria.
Através da regressão linear, obteve-se os seguintes valores para os parâmetros de entrada da equação da curva-chave:
b = 1,7; a = 0,0055; h0 = 90 cm 0 5 10 15 20 25 0 50 100 150 200 250 Q ( m 3/s) H (cm) ANA
41 A partir dos valores dos parâmetros supracitados construiu-se a equação da curva-chave, expressa por:
- (EQ.14)
5.3 Comparação entre as Curvas-chaves a partir dos dados disponíveis no banco de dados da ANA e os dados observados pelo ADCP.
Verifica-se na tabela 7 ajuste dos parâmetros das equações das curvas-chave através da interação da ferramenta Solver para os valores obtidos no banco de dados da ANA, bem como os valores observados com o ADCP.
Tabela 7: Parâmetros a, h0 e b ajustados a partir da interação do Solver.
Estação Solver
Sítios Vassouras (37410000) A h0 b Equação
ANA 0,0021 110 2,04 , 2 (
ADCP 0,0009 48,54 2,03 , ( – ,
A figura 15 apresenta o comportamento das curvas-chave, tomando por base os valores obtidos através da interação da ferramenta do Solver.
42
Figura 15: Comparação entre as curvas-chaves usando a ferramenta Solver.
Fonte: Autoria própria.
Na figura acima, pode ser observado às curvas-chave que o comportamento hidráulico ou hidrológico da seção está bem determinado pelas duas curvas, sendo que para os valores de cotas mais baixos é onde elas se aproximam mais, ou seja, tem menos diferença entre as vazões calculadas.
Alterações geométricas na seção ou na declividade do rio gerado por erosões ou assoreamentos ao longo do tempo causam mudanças na velocidade do escoamento e nas relações entre a área, raio hidráulico e profundidade, afetando a relação cota-descarga. Portanto, a curva-chave depende de forma intrínseca das condições do escoamento no curso d’água. Segundo JACCON E CUDO ( é necessário, portanto, que o hidrólogo conheça bem as características geométricas e hidráulicas da seção e do trecho onde esta se localiza.
Observa-se na tabela 8 o ajuste dos parâmetros das equações das curvas-chave através da regressão linear para os valores obtidos no banco de dados da ANA, bem como os valores observados com o ADCP.
0 20 40 60 80 100 120 140 0 50 100 150 200 250 300 350 Q ( m 3/s) H (cm) ADCP ANA
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Tabela 8: Parâmetros a, h0 e b ajustado usando a regressão linear.
Estação Regressão Linear
Sítios Vassouras (37410000) A h0 b Equação
ANA 0,0055 90 1,70 , (
ADCP 0,0015 50 1,92 , ( –
Podemos verificar na figura 16 a relação gráfica do ajuste das curvas obtidas a partir da regressão linear, com os dados adquiridos do bando de dados da ANA com os dados observados junto ao ADCP.
Figura 16: Comparação entre as curvas-chaves pelo método da regressão linear.
Fonte: Autoria própria.
Assim como no ajuste das curvas através da ferramenta Solver, o método da regressão linear também se mostrou satisfatório no ajuste das curvas. Isso pode ser comprovado através do comportamento entre as curvas, as mesmas mostraram uma tendência em seu comportamento, bem como pelo valor do coeficiente de determinação R² = 0,997. 0 10 20 30 40 50 60 70 0 50 100 150 200 250 300 350 Q ( m 3/s) H (cm) ADCP ANA
44
6. CONCLUSÕES
O ADCP como ferramenta no traçado da curva-chave do rio Piancó Piranhas, mostrou-se uma ferramenta muito eficaz e eficiente nesse processo de construção, com alta confiabilidade. Percebeu-se que com apenas poucas medições diretas observadas, foi possível saber a curva-chave desse rio. Isso porque as medições podem ser realizadas rapidamente quando comparado aos métodos tradicionais.
As metodologias utilizadas para o traçado e ajuste das curvas-chave com os dados fornecidos pela ANA e os dados obtidos pelo ADCP mostraram-se satisfatório. Com o banco de dados utilizados nesse trabalho é muito difícil determinar qual das curvas é a melhor. As duas podem representar valores de vazões satisfatórios. É preciso mais medições nesse ponto de estudo do rio Piancó Piranhas. Mas, as curvas foram bem ajustadas, mostrando comportamentos próximos. Esses resultados comprovam a veracidade dos dados obtidos pelo ADCP quando comparados aos dados fornecidos pela ANA, o que retrata a eficiência do instrumento para realização de estudos que buscam estimar valores de vazão e nível de água.
A pesquisa mostrou-se de grande relevância, uma vez que foi possível avaliar o comportamento da vazão em vários níveis de cota. Permitindo o melhor dimensionamento de reservatórios na região e para melhor quantificação e alocação de água dado os múltiplos usos da água. Acarretando assim, no melhor gerenciamento de sistemas hídricos.
45
REFERÊNCIAS
AESA – Agência Executiva de Gestão das Águas do Estado da Paraíba. Comitê de Bacias. Disponível em: http://www.aesa.pb.gov.br/comites/piranhasacu/. Acesso em: 11 de mar. 2016.
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ANEXOS 1
Software RiverSurveyor for PC
Este software foi desenvolvido pela Sontek, é compatível com o sistema operacional Windows (Vista e XP). Este software é a interface para medição de vazão junto aos sistemas RiverSurveyor S5 e M9. Inclui tudo que é necessário para realizar medições de vazão em tempo real, como também o pós-processamento dos dados (Sontek, 2009). Entre as principais funções desenvolvidas pelo programa estão: coleta de dados de vazão, bem como organizar os arquivos da memória e executar os teste de pré-medição sob o menu de utilidades, exibi o perfil de velocidade da seção, corrigindo a velocidade do barco. A figura A1 mostra o Layout do software.
Figura A1: Layout do software.
Para realização da medição inicialmente é feita uma comunicação do ADCP com o Riversurveyor via bluetooth. Após, inicia-se uma etapa de configuração do ADCP na qual são introduzidos dados iniciais como: intervalo médio para lançamento dos pulsos acústicos, sistemas de coordenadas (ENU), declinação magnética, profundidade máxima, tamanho das células de profundidades, etc.
50 Também, é necessário sincronizar o programa com o horário e a data do computador. Ao iniciar a gravação dos dados é preciso informar a margem de inicio da medição (direita ou esquerda, olhando para jusante do rio), e a distância da margem até o ADCP quando houver no mínimo duas células de profundidade válidas (ou seja, já 37 passaram da parte com águas rasas). O calculo da vazão total é feito após a medição (GRISON, 2008).
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ANEXO 02
A figura A2 mostra a seção de réguas milinimétricas, bem como o nível de referencia da estação fluviométrica do Sítios Vassouras.
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ANEXO 03
Ficha descritiva da estação fluviométrica do Sítios Vassouras
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ANEXO 4
Tabela de dados medidos
Período Medição Data da campanha H (m) A (m2) L (m) V (m s-1) Pm (m) Q (m3 s-1) S ec o 1 20/11/2012 0,52 33,7 51,28 0,315 0,68 10,76 2 26/12/2012 0,46 31,8 50,83 0,300 0,65 9,68 3 31/01/2013 0,485 32,6 51,02 0,306 0,66 10,12 4 28/02/2013 0,495 32,9 51,09 0,308 0,67 10,30 Ch u voso 5 19/03/2013 0,87 47,6 53,98 0,420 0,91 19,93 6 22/03/2013 1,0 54,0 55,02 53,11 0,467 1,02 25,06 7 26/03/2013 0,79 43,1 0,384 0,85 16,57 8 27/03/2013 0,72 41,1 52,80 0,371 0,81 15,31 9 28/03/2013 0,92 50,5 54,54 0,442 0,95 22,33 10 30/03/2013 0,525 33,9 51,32 0,316 0,69 10,86 11 02/04/2013 0,341 28,3 49,95 0,272 0,59 7,85 12 10/04/2013 0,29 26,9 49,58 0,260 0,56 7,18 13 15/04/2013 0,3 27,2 49,65 0,263 0,57 7,31 14 25/04/2013 0,44 31,2 50,68 0,295 0,64 9,35 15 14/05/2013 0,435 32 50,78 0,308 0,66 9,84 Valor médio 0,57 36,46 51,71 0,34 0,73 12,87 Fonte: GARRIDO, 2013.
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ANEXO 5
Tabela de Dados validados pela Ana
Data H (cm) Q (m3/s) 20/11/2012 158 13,9203 26/12/2012 152,5 11,9141 31/01/2013 150 3,9383 28/02/2013 150 3,9383 19/03/2013 177 10,8351 22/03/2013 218 29,3304 26/03/2013 170 8,6297 27/03/2013 212,5 26,2812 28/03/2013 212,5 26,2812 30/03/2013 180 11,8631 02/04/2013 157,5 6,5629 10/04/2013 180 11,8631 15/04/2013 152 4,1721 25/04/2013 182,5 12,7581 14/05/2013 110 1,5578
